При производстве резинотехнических изделий различного назначения процесс вулканизации является наиболее важным и энергозатратным этапом. В результате вулканизации резиновая смесь приобретает форму и эксплуатационные характеристики готового изделия. Поэтому разработка подходов к оптимизации режимных параметров вулканизации является актуальной задачей. В данной работе предлагается алгоритм численного моделирования полного цикла вулканизации с учетом разогрева нагревательных плит и пресс-формы, стабилизации температуры, загрузки резиновой смеси, вулканизации и извлечения готового изделия с его последующим остыванием на воздухе. Управление нагревом осуществляется в режиме ПИД-регулирования. Расчетная модель включает в себя нагревательные плиты с расположенными в них нагревательными элементами, контрольную термопару, пресс-форму и резиновую смесь. Моделирование вулканизации выполняется с использованием уравнений, описывающих три стадии: индукционный период, период вулканизации и период реверсии. Моделирование работы ПИД-регулятора основано на расчете управляющего воздействия с учетом антинасыщающих поправок интегральной части. Реализация алгоритма осуществляется в системе конечно-элементного анализа ANSYS 2019 R2 с использованием собственного программного модуля. Программа позволяет визуализировать поле степени вулканизации и температурное поле, чтобы оценить кинетику процесса вулканизации. Также в результате расчета выводятся данные об управляющем воздействии ПИД-регулятора и изменении температуры контрольной термопары. На основе численного моделирования полного цикла вулканизации можно выполнять оптимизацию режимных параметров (температуры нагрева и времени выдержки резиновой смеси в пресс-форме) и оценивать затраты электроэнергии при расчете себестоимости производства изделий из резины.
In the production of rubber products for various purposes, the vulcanization process is the most important and energy-intensive stage. As a result of vulcanization, the rubber compound acquires the shape and performance characteristics of the finished product. Therefore, optimizing the parameters of the vulcanization process is an important task. This paper proposes an algorithm for numerically simulating the complete vulcanization cycle. This includes heating the heating plates and mold, stabilizing the temperature, loading the rubber mixture, vulcanizing it, and extracting the finished product, followed by cooling it in air. Heating is controlled using the PID control method. The calculation model consists of heating plates with heating elements embedded in them, a control thermocouple, a mold, and a rubber compound. Vulcanization modeling is carried out using equations that describe three stages: the induction period, the vulcanization period, and the reversion period. The simulation of the PID controller is based on calculating the control action, considering anti-saturation corrections to the integral part. The algorithm is implemented in ANSYS 2019 R2, a finite element analysis software, using its own program’s module. The program enables visualization of the vulcanization degree field and temperature field to evaluate the kinetics of the vulcanization process. Additionally, the calculation provides data on the PID controller's control action and the temperature change at the control thermocouple. Based on numerical simulations of the entire vulcanization process, it is possible to optimize operating parameters (such as heating temperature and holding time for the rubber mixture in the mold) and estimate energy costs when calculating the manufacturing cost of rubber products.